Quantum-fysici winnen Nobelprijs

Fransman en Amerikaan maakten het absurde gedrag van atomen en lichtdeeltjes zichtbaar

De Nobelprijs voor natuurkunde gaat dit jaar naar een Fransman en een Amerikaan omdat ze de vreemde quantumwereld hebben opengesteld voor onderzoek.

Serge Haroche uit Parijs en David Wineland uit Boulder (beiden uit 1944) ontwikkelden technieken waarmee ze het absurde gedrag van atomen of lichtdeeltjes zichtbaar konden maken.

In de microscopische wereld van het quantum is alles anders. Elektronen kunnen op vele plaatsen tegelijk zijn, ze kunnen op hetzelfde moment vóór- als achteruit bewegen en een lichtdeeltje kan zowel rood als blauw zijn. Het is eigenlijk onbegrijpelijk, maar de quantumtheorie zegt dat het kan. En omdat de theorie de uitkomsten van experimenten perfect beschrijft, gaan fysici ervan uit dat de quantumwereld ook zo in elkaar steekt.

Lange tijd konden ze dat niet met eigen ogen verifiëren. In hun proeven ging het om miljoenen deeltjes tegelijk, maar om het gedrag van één deeltje te bestuderen moesten ze hun toevlucht nemen tot gedachtenexperimenten. Albert Einstein was een meester in het bedenken daarvan.

De Nobelprijswinnaars maakten de gedachtenexperimenten werkelijkheid. Eind jaren tachtig ontwikkelden ze technieken om één enkel quantumdeeltje te vangen, te bestuderen en te manipuleren. David Wineland gebruikte elektrische velden en lasers om een atomair deeltje (een ion) gevangen te houden, terwijl Serge Haroche met een soort van spiegels een lichtdeeltje (een foton) in zijn greep hield.

Maar een quantumdeeltje isoleren is één, zijn eigenschappen bekijken en beïnvloeden is nog iets heel anders. De quantumtheorie stelt daar grenzen aan. Een deeltje kan wel vele eigenschappen tegelijk hebben, maar op het moment dat iemand ze meet, blijft er precies één eigenschap over. De andere gaan bij de meting verloren.

Hoe vreemd dat is, demonstreerde een van de grondleggers van de quantumtheorie, Erwin Schrödinger, al met zijn gedachtenexperiment. Schrödinger stelde zich een kat voor, opgesloten in een doos, samen met een potje gif en een radioactief preparaat. Als het preparaat straling uitzendt - een onvoorspelbaar proces - breekt het potje en sterft de kat. Zo lang niemand in de doos kijkt, is de kat dood of levend. Nee, zegt de quantumtheorie: de kat is dan dood en levend tegelijk. Pas als de doos opengaat, is het dood óf levend. De vraag was: is er een truc om een blik in de doos te werpen zonder die samengestelde toestand van dood en levend te verstoren?

Haroche en Wineland bedachten zo'n truc. Niet voor de kat van Schrödinger, maar voor hun ingevangen deeltje. Ze stuurden er een ander quantumdeeltje op af en lieten de twee even aan elkaar 'snuffelen'. Vervolgens haalden ze deeltje twee weer binnen en lazen er de eigenschappen van af die nummer een tijdens het snuffelen had overgedragen.

Nummer één ervoer dit niet als storende meting en hield zijn eigenschappen.

Dat biedt geweldige perspectieven, met name voor de zogeheten quantumcomputer. Deze rekenmachine van de toekomst dankt zijn kracht en snelheid juist aan dat fenomeen dat quantumdeeltjes in meerdere toestanden tegelijk kunnen zijn. Maar wil je daar wat aan hebben, dan moet je het rekenwerk van zo'n computer ook ergens kunnen aflezen - zonder die quantumtoestanden te verstoren.

"Dit is de eerste Nobelprijs op weg naar de quantumcomputer", zegt de Leidse hoogleraar natuurkunde Carlo Beenakker. "Het is een beetje uitzonderlijk. Meestal krijg je de prijs pas als de toepassing er is. Maar in het geval van Haroche en Wineland is de toekenning zeer terecht."

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden